STANY SKUPIENIA MATERII, Swiat Nauki, Swiat Nauki Mix

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Plazma i inne stany materii, stan plazmy
Page 1 of 5
Odkrycia
Nowe stany skupienia materii
KaŜdymoŜewymienićtrzypodstawowestanyskupieniamaterii:ciałastałe(kryształymające
regularną budowę), ciecze i gazy (stan lotny). Znamy jeszcze pośrednie stany, takie jak ciała
bezpostaciowe, które mają budowę podobną do cieczy ale nie zmieniają kształtu, przez co są
podobne do ciał stałych (traktujemy je jak bardzo lepkie ciecze), czy teŜ ciekłe kryształy
substancje płynne składające się z długich cząsteczek organicznych, mających moŜliwość
porządkowaniasięwzewnętrznympoluelektrycznym.
JuŜodXIXwiekuznamyinnystanplazmę,aostatniootrzymanodwanowestany:kondensat
BosegoEinsteinaikondensatfermionów.Łącznieznamywięcsześćstanówskupieniamaterii.
Ale czy to wszystkie stany? W ostatnim czasie fizycy otrzymują układy mające odmienne
własnościcoopisujemynakońcu.CzytosąrównieŜnowestanymaterii?
Plazma
Plazma to zjonizowany gaz o odpowiednio duŜej
koncentracji cząstek naładowanych w postaci jonów i
elektronów. Proces powstawania w gazie jonów i
elektronów nazywamy jonizacją gazu. Na ogół gaz przed
jonizacjąjestelektrycznieobojętny,więczgodniezzasadą
zachowania ładunku wytworzona plazma będzie równieŜ
obojętna, poniewaŜ będzie zawierać jednakowe ilości
ładunków dodatnich i ujemnych. Jednak na skutek na
skutektermicznychruchówjonów,elektronów,atomówlub
cząsteczek w plazmie występują chaotyczne, chwilowe
niejednorodnościprzestrzennegorozmieszczeniaładunków.
Te niejednorodności wywołują w plazmie szereg
specyficznych zjawisk, dlatego plazmę nazywamy quasi
obojętnyelektrycznie.
Plazmapowstajewczasiewyładowania
atmosferycznego
Naładowane cząstki plazmy oddziałują ze sobą za
pośrednictwem sił kulombowskich. Są to siły dalekiego
zasięguiplazmyniemoŜnatraktowaćjakogaz,wktórym
cząstki oddziałują ze sobą jedynie podczas zderzeń.
DlategoteŜplazmęmoŜnarozpatrywaćjednocześniejako
ośrodek ciągły (podobny do własności cieczy) oraz jako
ośrodek składający się z duŜych zbiorów pojedynczych
cząstek(podobniejakgaz).Niejesttowięcanicieczani
gaz i plazmę traktujemy jako czwarty stan skupienia
materii.
Siły dalekiego zasięgu pojawiają się jednak tylko wtedy,
gdydladanegorozmiaruplazmy,jonówjestdostatecznie
duŜoczylijestodpowiednioduŜystopieńjonizacji.Abyto
wyjaśnić trzeba przyjrzeć się procesom zachodzącym w
otoczeniunaładowanejcząstki.KaŜdanaładowanacząstka
znajdująca się w zjonizowanym gazie wytwarza własne
pole elektryczne, które powoduje polaryzację
otaczającego ją ośrodka. Dookoła takiej cząstki grupują
się cząstki naładowane przeciwnie, co w pobliŜu cząstki,
osłabiapraktyczniedozerapoleelektryczne.Takiezjawiskonazywamyekranowaniem.Rozmiary
przestrzeni,wktórymzachodziekranowanienazywamypromieniemDebye'a.
JeŜeli obszar zjonizowanego gazu
jest duŜo większy od promienia
Debye'a to siły dalekiego zasięgu
się ujawniają i gaz ma własności
plazmy. Promień Debye'a rośnie
wrazztemperaturąimalejewraz
ze wzrostem ładunku i
koncentracji otaczających go
cząstek. Więc o tym czy
Wneonówcetemperaturajonówicząsteczek
zbliŜonajestdopokojowej,awysokątemperaturę
(kilkadziesiąttysięcystopni)mająjedynie
elektrony
2008-03-29
Plazma i inne stany materii, stan plazmy
Page 2 of 5
zjonizowany gaz ma własności
plazmy, decyduje nie tylko
temperatura i koncentracja cząstek naładowanych, ale teŜ najmniejszy rozmiar przestrzeni
wypełnionej plazmą. Czym mniejszy jest obszar to w danej temperaturze koncentracja jonów
powinnabyćwiększa.
Plazma silnie oddziaływuje z zewnętrznym polem elektrycznym i magnetycznym. Jest równieŜ
dobrymprzewodnikiemprąduelektrycznego.Opórelektrycznyplazmymalejewrazzewzrostem
temperaturyiwwysokichtemperaturachplazmajestlepszymprzewodnikiemniŜmetale.
Plazma wysyła silne promieniowanie w zakresie światła
podczerwonego
,
widzialnego
,
nadfioletowego
i
rentgenowskiego
. Przy niskich temperaturach emituje przede wszystkim widmo
dyskretne (w świetle są tylko poszczególnedługości światła)związane z przejściemelektronów
międzyokreślonymipoziomamienergetycznymiatomówlubjonów.Zewzrostemtemperatury(a
więc i jonizacji) wzrasta udział promieniowania o widmie ciągłym, pochodzących z procesu
zobojętniania (rekombinacji) jonów i elektronów oraz procesu hamowania swobodnych
elektronówwpoluelektrycznymjonów.Emisjapromieniowaniajestprzyczynąstygnięciaplazmy.
AbytakistanutrzymaćprzezdłuŜszyczasnaleŜyzapewnićstałydopływenergii.
KaŜda substancja w odpowiednio wysokiej
temperaturze moŜe przejść w stan plazmy w wyniku
termicznej jonizacji. W bardzo wysokich
temperaturach (powyŜej miliona Kelwinów) materia
jest juŜ całkowicie zjonizowana i taki stan materii
występujewjądrzeSłońcaiinnychgwiazd.Wtedyw
przypadku atomów lekkich istnieją tam tylko jądra
atomowe i elektrony. Plazmą jest równieŜ obszar
międzygwiezdny. ChociaŜ temperatura przestrzeni
wynosi zaledwie 3K (270°C), ale zajmuje ogromny
obszar(duŜowiększy od promieniaDebye'a),jest to
więc teŜ stan plazmy. Jak się szacuje plazma jest
najczęściej spotykanym stanem materii we
Wszechświecie i stanowi 99% znanej materii
Wszechświata.
Plazma występuje w jonosferze ziemskiej i w
pasach
van Allena
.Właściwościplazmydecydująoochronnej
funkcji ziemskiej atmosfery przed wiatrem słonecznym promieniowaniem kosmicznym. RównieŜ
zorza polarna
związanajestzezjawiskamizachodzącymiwplazmiejonosfery.
W warunkach ziemskich plazma występuje rzadko. MoŜna ją spotkać w wyładowaniach
atmosferycznych, płomieniu, w łuku elektrycznym (jest to wyładowanie w gazie np. powietrzu
międzydwomaelektrodamiwęglowymilubmetalowymi)orazlampachwyładowczychświetlówki
(lampyrtęciowe)ilampyneonowe.
Co ciekawe w lampach wyładowczych wysoką
temperaturęmajątylkoelektrony,natomiastatomy
i jony mają temperaturę pokojową lub tylko nieco
podwyŜszoną. Znalazło to szerokie zastosowanie.
Gorące elektrony powodują reakcje w chłodnych
składnikach lampy co zapewnia ich stabilność (w
wysokich temperaturach nowe związki natychmiast
się rozpadają). Jeśli umieścimy odpowiedni związek
wyjściowy w postaci gazu lub pary w próŜniowym
pojemniku zwanym reaktorem plazmowym i
spowodujemy wyładowanie jarzeniowe to ze stanu
plazmyosiadająnapowierzchniachwarstwymające
róŜne niezwykłe właściwości. Wykorzystuje się to
przy wytwarzaniu warstw dowolnych grubości w
wieluprzypadkach,np.tworzeniumembran,warstw
antykorozyjnych,warstwochronnychnanarzędziaw
medycynie, naparowanie soczewek kontaktowych, wykonywanie ogniw słonecznych czy teŜ
wykonywaniematryctranzystorów.
PlazmęstosujesięrównieŜdotopienia,cięciaispawaniamateriałówtrudnotopliwych(metalii
stopów, materiałów ceramicznych, betonu), w urządzeniach wiertniczych, monitorach i
telewizorachplazmowych,dounieszkodliwianiaodpadóworazw
silnikach jonowych (plazmowych)
.
Światowa produkcja, w której wykorzystywana jest obecnie technologia plazmy, osiąga rocznie
Parametryplazmywystępującejwprzyrodzieitechnice
Wjonosferze,tamgdziepowstajązorzepolarne,
gęstośćjestbardzomała,atemperaturajestniŜszaod
pokojowej
Doświadczalnyreaktorplazmowy
2008-03-29
Plazma i inne stany materii, stan plazmy
Page 3 of 5
wartość500mlddolarów.
Plazmę wysokotemperaturową (o temperaturze wyŜszej niŜ milion stopni Celsjusza) w
laboratorium utrzymuje się w polu magnetycznym aby nie dopuścić do kontaktu ze ścianami
pojemnika.Takasytuacjapojawiasięgdychcemyuzyskać
reakcj
ę
termoj
ą
drow
ą
.
W 2006 roku w amerykańskim laboratorium Sandia udało się otrzymać "rekordową" plazmę o
temperaturze dwóch miliardów stopni Celsjusza. Naukowcy przepuścili prąd o natęŜeniu 20
milionów amperów przez układ pionowo ustawionych stalowych drucików, przekształcając je w
obłok plazmy, ściśnięty następnie przezpolemagnetyczne.Jonyielektronyplazmyzatrzymały
się gwałtownie, uwalniając energię w postaci promieniowania rentgenowskiego. Dalsze badania
mogą doprowadzić między innymi do lepszego zrozumienia zachowania niektórych gwiazd oraz
opracowaniainstalacjidosyntezytermojądrowej.
Przyopracowaniutematunajwięcejkorzystanoznastępującychpublikacji:
SłownikfizycznywydawnictwaWiedzaPowszechna;
Encyklopediafizykiwspółczesnej;
CzesławBobrowski,Fizykakrótkikurs;
JacekTyczkowski,Neony,plazma,warstwy;Wiedzaiśycie7/2002;
Kondensat Bosego - Einsteina (BEC)
Dwapozostałestanyskupieniawynikajązkwantowychwłasnościmaterii.Zwykłygazzachowuje
się klasycznie czyli jak cząstki z którymi my mamy do czynienia na co dzień. KaŜda cząstka
klasycznajestrozróŜnialna(takjakrozróŜnićmoŜemyposzczególnychludzi)ipodlegastatystyce
MaxwellaBoltzmanna. JeŜeli mamy małe cząstki znajdujące się w małych odległościach to
ujawniają się właściwości falowe tych cząstek i opisując ich ruch musimy korzystać z równań
mechanikikwantowej.Dlacząstekmającychwłasnościfalowe(nazywanychfalocząstkami)niema
pojęcia toru, moŜemy jedynie podać prawdopodobieństwo znajdowania się cząstki w danym
miejscu.DlategocząstkikwantowesąnierozróŜnialne.MoŜliwesądwaprzypadki:cząstkizwane
bozonami, które w dowolnej ilości mogą występować w danym stanie kwantowym, czyli nie
podlegają zakazowi Pauliego oraz cząstki zwane bozonami, podlegającymi zakazowi Pauliego,
czyli w danym stanie kwantowym moŜe się znajdować tylko jedna
cząstka. Bozony podlegają statystyce BosegoEinsteina i mają spin
całkowity (zaliczamy do nich wszystkie
cz
ą
stki przenosz
ą
ce
oddziaływania
np. fotony i jądra składające się z parzystej liczby
nukleonów).Fermionypodlegają statystyceFermiegoDiracaimają
spis połówkowy (są to np. elektrony, protony, neutrony, neutrina i
jądra o nieparzystej liczbie nukleonów). Pojedyncze fermiony i
bozonywystępująwięcmasowo.ZbiórbardzoduŜejilościbozonów
powiązanych ze sobą nazywamy kondensatem Bosego Einsteina
(BEC),natomiastfermionówkondensatemFermiegoDiraca.
Kondensat Bosego Einsteina (BEC) to materia, w której wszystkie atomy są identyczne i
zachowująsiętak,jakbystanowiłyjeden,duŜy"superatom".ChoćBECprzewidziałEinsteinjuŜw
1924roku,topierwszyrazudałosięgouzyskaćzatomówrubidudopierow1995r.Osiągnięcie
touhonorowano
Nagrod
ą
Nobla w 2001 roku
.
Kondensat fermionów
Uzyskanie kondensatu fermionów było trudniejsze i
przez wiele lat wydawało się niemoŜliwe. Jak obejść
zakaz Pauliego i otrzymać zbiór identycznych
fermionów w kondensacie? Okazało się, Ŝe fermiony
mogąsięłączyćwpary,takjakelektronyłącząsięw
pary Coopera w nadprzewodnikach. Sparowane
fermionyzachowująsięjakbozonyimogązajmować
jeden stan energetyczny. Mogą więc utworzyć
kondensat BosegoEinsteina zwany kondensatem
fermionowym (kondensat fermionów jest jakby
odmianą kondensatu BosegoEinsteina). Ostatnio
kilka grup badawczych starało się go otrzymać. W
końcu fizycy z Uniwersytetu Kolorado pod
kierownictwem Deborah Jin uzyskali kondensat
fermionów chłodząc chmurę utworzoną przez około
Rozkładygęstościatomówpotasu.WzaleŜnościod
zewnętrznegopolamagnetycznegofermionymogąbyć
2008-03-29
ObrazcieniakondensatuBosego
Einsteinaatomówrubidu
 Plazma i inne stany materii, stan plazmy
Page 4 of 5
pół miliona atomów potasu do 50 miliardowych
stopnia powyŜej zera absolutnego (0,00000005K).
Atomybyłyutrzymywaneprzezpolemagnetyczne.Z
jednej strony pole zezwalało na silne związanie fermionów w cząsteczki i utworzenie
molekularnego kondensatu BosegoEinsteina. Z drugiej sprawiało, Ŝe słabo związane pary
atomówłączyłooddziaływaniewistotnysposóbzaleŜneodpozostałychatomów(takieparynie
mogłybyistniećwyizolowane).Zaobserwowanowtedycharakterystycznydlakondensaturozkład
gęstościatomów.Ichzachowaniestałosiętakjednorodne,ŜeniedajesięichodróŜnić.Jestto
szóstystanskupieniamaterii.
Zbadanie kondensatu fermionów być moŜe pozwoli na lepsze zrozumienie zjawiska
nadprzewodnictwa i moŜe doprowadzić do opracowania nadprzewodników działających w
temperaturze pokojowej. Takie materiały znalazłyby zastosowanie w budowie komputerów,
urządzeńmedycznych,anawettransporcie(naprzykład
poci
ą
gi na poduszce magnetycznej
).Na
razie"najcieplejsze"nadprzewodnikiwymagajątemperatury135°C.
Opracowanonapodstawieinternetowychinformacjizamieszczonychw
serwisie naukowym portalu
Onet
inr.3/2004czasopisma"ŚwiatNauki".
słabosparowane(piknajdalszy)lubsilniesparowane
(piknajbliŜszy).
Nadprzewodz
ą
cy układ fermionów
Grupa fizyków z Massachusetts Institute of Technology
pod kierunkiem
laureata nagrody Nobla
z 2001 roku
Wolfganga Ketterlego doniosła o uzyskaniu układu
fermionów w stanie nadciekłości. Atomy litu 6 w bardzo
niskiej temperaturze (milionowe części Kelwina)
umieszczono w polu magnetycznym. Najpierw powstaje
kondensat fermionów otrzymany wcześniej przez grupę
Jin.Zwiększająctopoleuzyskujesięnadciekłystantypu
BCS (nazwa pochodzi od nazwisk twórców teorii
nadprzewodnictwa: Bardeen, Cooper, Schrieffer).
Dowodem nadciekłości czyli ruchu cieczy bez tarcia jest
powstaniewirów.
Wytworzenie tych wirów nie było łatwe. Najpierw zespół
Ketterlego otrzymał kondensat BosegoEinsteina atomów
sodu,którymochłodziłfermionoweatomylitu.Następnie
umieszczono lit w pułapce zbudowanej z przecinających
się wiązek laserowych i chmura atomów przypierała
wówczas kształt wydłuŜonej elipsoidy. Następnie
skierowalidwiewiązkilaserowedokładniewzdłuŜdłuŜszej
osi pułapki, wprawiając chmurę w ruch obrotowy. Jeśli
wprawimy taki kondensat w ruch obrotowy, to moment
pęducałościmusibyćskwantowany.Dlategowwirującym
dostatecznie szybko kondensacie powstaje cała sieć
regularnie rozłoŜonych wirów. We wnętrzu wiru gęstość
atomówspadadozera.Nadodatekwiryodpychająsię,co
prowadzidoichregularnegorozłoŜeniawewnątrzchmury
i tworzy się charakterystyczna sieć. Taka struktura
świadczy o nadciekłości układu. Chcąc zaobserwować
powstałewiry,uwolnilichmuręatomówzpułapki,bymogłaswobodniesięrozszerzać.Ekspansja
gazu spowodowała powiększenie rdzenia wiru do rozmiarów, które dało się juŜ rejestrować
kamerą.
Opracowanonapodstawieinformacjizamieszczonejwnr8/2005ŚwiataNauki
Zupa kwarkowo - gluonowa
W 2005 roku w laboratorium RHIC (Zderzacz
RelatywistycznychCięŜkichJonów)wBrookhavenwUSA
otrzymano po raz pierwszy plazmę kwarkowo
gluonową. Okazało się, Ŝe jest to substancja niemal
idealnie płynna i porusza się prawie bez lepkości.
Bardziejpasujewięcnazwazupakwarkowogluonowa
niŜgorącaplazma.
2008-03-29
Sieć regularnych plamek jest obrazem rdzeni
wirówwtrzechróŜnych układach: w kondensacie
BosegoEinsteina atomów sodu (na górze), w
kondensacie BosegoEinsteina silnie związanych
bozonowych molekuł zbudowanych z dwóch
fermionowych atomów litu o przeciwnie
skierowanych spinach (pośrodku) oraz w układzie
słabozwiązanychparatomufermionowegolitu(na
dole). Te kwantowe wiry są niezbitym dowodem
nadciekłości.WtleklasycznywircyklonuIzabel.
Plazma i inne stany materii, stan plazmy
Page 5 of 5
Do wytworzenia kwarkowej zupy fizycy uŜyli jonów
złota. Rozpędzali je do ogromnej prędkości (aŜ 99,995
proc. prędkości światła), po czym zderzali je czołowo.
Jądro atomu złota składa się ze 197 protonów i
neutronów. Kiedy takie dwa rozpędzone i masywne
jądra wpadną na siebie, protony i neutrony dosłownie
zlewają się ze sobą i rozpadają na kwarki. Powstaje
kropelka substancji niezwykle gęstej, rozpalonej do
dwóch bilionów stopni i rozmiaru bilionowej części
milimetra.
Taka materia istniała na początku Wszechświata w
pierwszychchwilachpoWielkimWybuchu.Substancjata
rozpadasięwtakmałymułamkusekundy,ŜeŜadenze
znanychprzyrządówbadawczychniejestwstaniezłapać
tego momentu i wykonać pomiarów. Na podstawie
śladów zderzeń produktów tej materii ustalono, Ŝe
składniki zupy kwarkowo gluonowej poruszały się
kolektywniejakwcieczy,anieniezaleŜnieodsiebie
jakwgazie.Atooznacza,Ŝeoddziałujązsobąsilniej,niŜsięzdawało.Todopieropoczątkibadań
takiegostanu.
Opracowanonapodstawieinformacjizamieszczonychw
w serwisie naukowym Gazety Wyborczej
Śladycząstekpozderzeniuwcyklotronie
Odkrycia
2008-03-29
[ Pobierz całość w formacie PDF ]